過去50余年，芯片制程迭代沿著摩爾定律滾滾向前，并持續增強著芯片的算力與性能。現如今，無論是在SoC上集成越來越多的功能模塊，又或是利用chiplet技術在先進制程下進一步提升芯片集成度，都充分展現了芯片性能、功耗和成本的改進不能僅僅依賴于制程的升級，而需從不同的維度拓展創新來延續摩爾定律的“經濟效益”。這導致芯片設計變得越來越困難，IP的作用也愈加凸顯，逐漸成為企業尋求設計差異化道路上的“秘鑰”。
日前，在深圳舉辦的第10屆EEVIA年度中國硬科技媒體論壇暨產業鏈研創趨勢展望研討會上，Imagination產品市場高級經理黃音在演講中表示，半導體行業對高性能SoC 需求的增長提振了IP技術市場，作為全球領先的半導體IP供應商，Imagination正緊隨市場發展趨勢，持續進行技術創新，其核心領域的IP技術演變折射了未來一些熱門應用顯著的需求變化。
Imagination產品市場高級經理黃音在論壇上介紹Imagination IP技術如何賦能未來硬核科技創新
“倒金字塔”讓IP供應商的價值重新被審視
隨著服務器市場蓬勃發展，物聯網與AIoT應用普及落地，5G+人工智能等技術賦能經濟社會數字化轉型，黃音表示IP也像蝴蝶一樣，從卵、幼蟲到蝶變的過程反映了應用市場需求的這種變化，并推動技術不斷發展，越來越多的半導體廠商開始考慮借助外力，例如專業的IP公司在某一個領域提供完整的技術服務，從而降低成本并節省產品進入市場的時間。
IP作為經驗證可復用的芯片設計模塊，從市場價值來看，其全球市場規模約為50億美元，但卻撬動著6000億美元的半導體產業不斷演進，并賦能1.4萬億的電子信息制造業持續發展。黃音補充道：“據lPnest數據統計，在年均600多億美元的全球芯片研發開支中，IP研發投入只占6%約36億，但其價值和影響力卻遠遠超出用金錢衡量的份額。IP作為整個半導體上游產業鏈里的核心，每一元芯片能撐起200多元的社會經濟，而每一元IP能支持20000元的社會經濟價值。”
數十億美元的IP行業支撐著數千億美元的半導體行業
為何小小的IP，卻如此重要。芯片巨頭公司擁有足夠的技術、人才和資金儲備，能夠面向巨大市場的挑戰，而中小型公司及創業公司，在資源的約束下只能專注于某些細分市場。但無論公司的體量是大是小，都面臨著激烈的市場競爭，都希望形成技術壁壘和強大的生態系統以更好地生存。而在近乎無限的科技海洋中，沒有任何一家公司能精通一切。而IP廠商們能夠以某個領域的專業技術能力和經驗，提供部分核心技術的成熟產品，協助芯片設計公司和系統廠商，加快技術的產業化周期，提升靈活性和市場反應速度，降低了研發風險、運營成本，加速產品上市和增加利潤，幫助企業專注于自身核心競爭力的發展，也是其實現差異化的關鍵競爭要素之一。
“Imagination技術創新始終聚焦于功能的豐富和面積、性能與功耗優化，并致力于實現最佳的能效比，為客戶創造不可復制的核心價值。”黃音進一步說到，“對于IP廠商來說，PPA的三個維度都是重點考量的標準，而Imagination的IP產品通過合理調整三個維度的占比，來完成對不同市場的適應能力，目前已在手機、PC、平板、汽車、桌面服務器、數據中心等領域得到了廣泛應用。”
追求最佳PPA，30多年技術積淀賦能獨特的GPU IP創新
從市場發展趨勢來看，隨著數據中心服務器規模不斷擴大，靈活性與可擴展性正驅動IP核供應商的技術演變，而功耗、帶寬與安全性是芯片設計繞不過的坎兒，針對這些需求如何在技術層面進行創新則是整個行業關注的焦點。黃音在演講中自信表示Imagination基于在 GPU IP領域三十多年的經驗技術積累，以多項獨有的專利和核心技術構筑了行業領先的價值壁壘。
靈活可擴展的GPU硬件架構技術
Imagination的GPU硬件架構，有非常好的靈活性和延展性，根據不同的市場和產品需求，單核GPU可以配置為從1PPC、2PPC直到64PPC等不同規格，根據低、中、高不同需求可進行多個不同圖像處理能力、浮點運算能力的搭配。如果需要更大規模的配置，還可以進一步提供松耦合的多核架構，甚至是幾個多核單元的聯合架構，以滿足超高性能超大算力的PC、服務器等產品需求。
Imagination的松耦合多核架構技術，能在單個芯片內靈活地切換模式，比如在需要高性能時可以作為單GPU多核協同工作，進行聯合渲染和計算；在需要并行的計算多個不同業務時，可以作為多個單核GPU分別獨立工作，互不干擾，非常實用。而這個松耦合的技術，甚至可以延展到多顆芯片之間，把一個多核GPU，合理分布到不同的芯片die上，再通過chiplet技術，使它們重新連接起來，能實現與單芯片一樣的靈活的模式切換，既能多核聯合渲染和計算，又能分別獨立工作。在當今瞬息萬變的市場環境下，這種技術給芯片設計公司提供了不需要重新流片就擁有的高靈活性和高擴展性，可以應對市場需求靈活轉身。
分塊延遲渲染技術（TBDR）
在GPU的渲染技術上，與桌面GPU通常使用的立即渲染模式不同，Imagination業內最早提出并采用了分塊延遲渲染（Tile-Based Deferred Rendering，TBDR）技術，在頂點著色和光柵化之后加入了延遲環節，充分利用系統內存并通過只渲染可見的像素片段，放棄被覆蓋或被遮擋的像素片段來大幅提高整體效率，提供更高渲染性能的同時對帶寬和功耗的要求更低。TBDR技術，在帶寬有效利用、工作負載高效分配和處理上，有明顯的技術優勢，這是其獨到之處。
Imagination的分塊延遲渲染（TBDR）技術
IMGIC壓縮技術
為節省帶寬，目前業內SoC芯片大多采用硬件壓縮技術，據黃音介紹，IMGIC壓縮技術可以同時支持像素完全無損壓縮和有損壓縮，有損壓縮支持四種壓縮等級，包括壓縮率分別為75%（質量接近完美）、50%（視覺無損）、37.5%（一定損失）、25%（最節省帶寬）的有損壓縮。無損壓縮之后，與原圖沒有差別，還能節省平均50%左右的帶寬。有損壓縮，則能根據配置的壓縮等級，同時將帶寬、圖片存儲尺寸壓縮到指定比例，進行有效節省，且在大部分情況下，肉眼很難察覺出壓縮后的圖片差異。
GPU硬件虛擬化
值得一提是，Imagination還是業界第一家實現GPU硬件虛擬化IP授權的公司，并已廣泛應用于眾多車型中。黃音解釋道在汽車應用中，利用硬件虛擬化技術，OEM廠商可以實現服務與應用程序的完全隔離，以確保在系統被入侵或數據毀損的情況下仍能保持安全。GPU硬件虛擬化解決方案可最多同時支持八個各自獨立的容器以運行應用程序或服務，汽車 OEM 廠商能任意部署并移除服務和應用，完全不會影響其他同時運行的容器中的服務和應用。除了隔離，硬件虛擬化技術還支持對多個汽車OS和應用之間，靈活地調整業務優先級和分配GPU性能，節省軟硬件成本。
基于固件的GPU
此外在許多架構中，硬件圖形事件是由圖形驅動程序在CPU上處理的，但Imagination首創的基于固件的GPU能夠在內部以超低延遲處理大多數圖形事件，這種方法還減少了圖形驅動程序的主機CPU開銷，并提供了大量有益的額外特性，例如在GPU出錯的時候，采集全部的數據日志進行錯誤分析，通過GPIO連接外部的攝像頭或壓縮解壓縮的設備進行功耗的控制等。
“得益于諸如此類獨有的核心技術，Imagination王牌IP核產品PowerVR GPU誕生30年，為3D、2D圖形及高性能GPU計算提供了行業領先的高效靈活解決方案。”黃音進一步補充道，“2019年，Imagination的GPU架構有了很大的升級，推出了A系列AXT GPU，作為Imagination的第十代核，相較于第九代性能密度比提高了2.5倍，擁有更完善的運算邏輯單元，提高了紋理處理的能力，能夠配置Cache Size，而且優化了壓縮算法；2020年，推出B系列BXT GPU產品開始支持多核技術，并且在算力上進行了優化，在微架構上進行了微調；2021年，推出的C系列CXT GPU增加了光線追蹤（RAC）的核可以做到硬件光追加速，以滿足不同的產品需求。”
從2019年到2022年，Imagination 陸續推出性能強大的GPU IP系列
構建算力新生態，迎接異構計算機遇與挑戰
過去的50年是算法和算力發展的50年，計算的創新和演進聚焦于可擴展性、靈活性、效能、效率以及可編程性上。而當數據大爆發帶來了AI計算的需求，包括SoC設計公司在內的芯片公司，都在追求更高性能、更低功耗、更節省帶寬的方案，異構計算便是必由之路。這需要在硬件和SoC整體設計上采用異構解決方案，把不同類型的核進行集成，如CPU、GPU、NPU、神經網絡加速單元等進行疊加，對數據進行專業分工和更先進的處理。
針對異構計算的趨勢，據黃音介紹，Imagination將從多個方向進行創新。首先GPU將持續在多核架構上演進、在性能跟功耗上優化。黃音指出：“Imagination的GPU架構支持16和32位浮點運算（FLOAT Operation），以及INT 8/16/32定點運算，而紋理處理單元、反扭曲處理、基礎過濾、結合著色器做更加復雜的過濾……這些都能通過GPU里的不同運算器來實現。” 從A系列開始，PowerVR GPU使用了全新的算術邏輯單元（ALU）架構、調度更簡單的引擎，可以在相同的芯片面積和功耗預算中使用更多的通道，完全擁抱大規模線程級并行的設計趨勢，并簡化編譯器工作，從而獲得更高的利用率和效率。
Imagination針對異構計算在IP架構上的創新技術
Imagination也擁有業界領先的神經網絡加速器NNA，采用全硬化的神經網絡加速方法學，達到業界領先的PPA。作為異構計算的主力和最高效的部分，NNA擁有著相比CPU和GPU更大的算力和更高的算力密度，承載著大部分的計算任務。
不僅如此，在2021年底 Imagination 宣布推出全新RISC-V CPU核Catapult，作為對GPU和NNA的有效補充，CPU發揮其在控制流和靈活性上的優勢，高效地控制和調度好GPU和NNA進行計算，同時也在整體上高效地查漏補缺，是異構計算中不可或缺的一環。
其次，在軟件與系統層面，Imagination為異構計算提供了統一、開放并且標準的工具鏈，支持標準的framework操作，同時為了消除數據瓶頸，對存儲、安全進行了創新性優化，使開發者可以快速靈活地把他們的應用部署在異構計算架構上。在整個工具鏈中，無論是從編譯準備還是到設備端實現異構運算，Imagination為開發者提供了豐富的部署和優化功能，包括可以幫助開發者確定量化策略，滿足符合其應用性能和精度的要求，并最大程度將靈活性留給開發者。
異構計算具體到應用層面，黃音表示在汽車行業Imagination與芯片廠商、Tier-1廠商合作以及OEM廠商積極展開生態合作，提供IP整體解決方案，重塑與車輛的交互方式。目前Imagination也是汽車行業最大的GPU IP供應商，在駕艙領域擁有約51%的市場份額。
在游戲、VR/AR等應用中，硬件實時光線追蹤技術是Imagination最早提出來并實現的。光線追蹤可以在不同的性能和效率等級下實現，為了明確這一點，Imagination 建立了光線追蹤等級系統（RTLS），確定了從Level 0到Level 5共6個等級的光線追蹤功能的要求。IMG CXT采用的Photon架構處于RTLS的4級（Level 4），這是當前可用的最先進的硬件光線追蹤技術，應用在移動端可為移動游戲玩家和開發者提供實時硬件光線追蹤和桌面級質量的體驗。
邁入真正的智能時代，數字化技術成為剛需，這離不開芯片的加持，無論是移動設備、汽車和電器等數字消費應用，還是數據中心、服務器等基礎設施行業，都需要越來越多利用先進的IP技術賦能。黃音展望道：“成立30多年來，Imagination一直致力提供高性能IP產品與解決方案，而Imagination在技術上的領先既被市場驅動，也引領市場發展，未來Imagination同樣將緊隨市場脈絡，提高IP核的可擴展性、靈活性和效率，并通過創建強大的異構計算解決方案，在移動、汽車、桌面和數據中心等多元化市場中發掘軟件、數據和服務的價值。”
